计算机控制系统--应用实例

《计算机控制系统--应用实例》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制系统--应用实例（43页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、2 依依审定的教材大纲编写。审定的教材大纲编写。 主编人：高金源主编人：高金源 夏洁夏洁 出版发行：清华大学出版社出版发行：清华大学出版社31. 可靠性高可靠性高2. 操作性好操作性好3. 实时性强实时性强4. 通用性好、便于扩充通用性好、便于扩充5. 经济效益高经济效益高4系统总体控制方案设计；系统总体控制方案设计；系统硬件设计、选择与开发；系统硬件设计、选择与开发；软硬件的可靠性设计；软硬件的可靠性设计；确定满足一定经济指标的目标函数，建立被控对象的数确定满足一定经济指标的目标函数，建立被控对象的数学模型并针对目标函数进行控制算法规律设计；学模型并针对目标函数进行控制算法规律设计；软件设计

2、与开发；软件设计与开发；系统整体调试等。系统整体调试等。 微机控制系统设计，虽然随控制对象、设备种类、微机控制系统设计，虽然随控制对象、设备种类、控制方式、规模大小等不同而有所差异，但系统设计控制方式、规模大小等不同而有所差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是大体相同的。主要包括：的基本内容和主要步骤是大体相同的。主要包括：510.1 双摆实验系统的计算机控制设计与实现双摆实验系统的计算机控制设计与实现10.2 转台计算机伺服控制系统设计转台计算机伺服控制系统设计10.3 民用机场供油集散系统民用机场供油集散系统61. 双摆实验控制系统组成双摆实验控制系统组成7 本实验系统控制的目的是：当滑车

3、在导轨上以一定速度和本实验系统控制的目的是：当滑车在导轨上以一定速度和加速度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任加速度运动时，应保持双摆的摆动角度最小；或双摆有任一初始摆角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。一初始摆角时，系统将使双摆迅速返回平衡位置。 为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求：为实现上述控制目的，提出如下性能指标要求：(1) 计算机计算机D/A输出输出100mV时，电机应启动。时，电机应启动。 (2) 滑车最大运动速度为滑车最大运动速度为 0.4ms，D/A的最大输出对应滑车的的最大输出对应滑车的最大运行速度。最大运行速度。(3) 当有较大的初始扰动（上摆角初始角度为当

4、有较大的初始扰动（上摆角初始角度为50o）时，上下摆的）时，上下摆的摆角到达稳态时间摆角到达稳态时间5s6s，摆动次数，摆动次数34次。次。(4) 当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间当滑车从偏离零位处回归零位时，上下摆的摆角到达稳态时间5s6s，摆动次数，摆动次数34次。次。8 整个系统结构示意整个系统结构示意图如图图如图10-2所示，所示，控制系统方块图如控制系统方块图如图图10-3所示。所示。图图10-2 双摆计算机控制系统结构图双摆计算机控制系统结构图图图10-3 双摆计算机控制系统方块图双摆计算机控制系统方块图9 利用拉格朗日方程建立双摆系统的动力学方程并进行适当利

5、用拉格朗日方程建立双摆系统的动力学方程并进行适当的简化，以得到在小扰动情况下系统的线性化状态方程。的简化，以得到在小扰动情况下系统的线性化状态方程。 非保守系统的非保守系统的拉格朗日方程拉格朗日方程 iiiFqLqLdtdn,i21L：拉格朗日函数：拉格朗日函数=系统的总能量系统的总能量-系统的总势能系统的总势能 系统各个系统各个自由度的自由度的广义坐标广义坐标 广义坐标对广义坐标对于时间的一于时间的一阶导数阶导数 驱动每个自由度运驱动每个自由度运动的广义力或力矩动的广义力或力矩 系统自系统自由度数由度数 101. 以控制力为输入建立双摆系统的数学模型以控制力为输入建立双摆系统的数学模型：拖动

6、电机对于滑车的控制力：拖动电机对于滑车的控制力：滑车质量：滑车质量：上摆关节的质量：上摆关节的质量：下摆关节的质量（包括摆锤）：下摆关节的质量（包括摆锤）：滑车距参考坐标系原点的横坐标：滑车距参考坐标系原点的横坐标：上摆质心距滑车铰链的长度：上摆质心距滑车铰链的长度：关节铰链距滑车铰链的长度（上：关节铰链距滑车铰链的长度（上摆杆的摆长）摆杆的摆长）：关节铰链距下摆质心的长度：关节铰链距下摆质心的长度：上摆摆动角度：上摆摆动角度：下摆摆动角度：下摆摆动角度：下摆关节摆动角度，且满足：下摆关节摆动角度，且满足：上摆摆杆的转动惯量：上摆摆杆的转动惯量：下摆摆杆的转动惯量：下摆摆杆的转动惯量F2mx1

7、l2l3lM1m1J2J图图10-4 双摆系统受力分析图双摆系统受力分析图11 滑车滑车双摆系统是具有三个自由度的机械系统，其第一个双摆系统是具有三个自由度的机械系统，其第一个自由度的广义驱动力由力矩电机产生，第二、三个自由度自由度的广义驱动力由力矩电机产生，第二、三个自由度均为摆杆相对于铰链的自由摆动，广义力为零。均为摆杆相对于铰链的自由摆动，广义力为零。建立系统的拉格朗日方程如下：建立系统的拉格朗日方程如下： 12作以下的简化：作以下的简化： 忽略由速度引起的向心力和哥氏力忽略由速度引起的向心力和哥氏力 （为上摆杆长度），（为上摆杆长度）， 可视为下摆杆长度可视为下摆杆长度 sin( )

8、1)cos(21ll 3l01J02J令令 TTxxxxxxxxX654321车位置车位置 车速度车速度 mmxxgMxxMxxmmmmmggxxMlmlmlMxxxxmmmmggmlml121122331212244111115566121223130100000000001000100000()0010000010000 Fl100 双摆系统在平衡位置附近的线性状态方程：双摆系统在平衡位置附近的线性状态方程： 上摆角上摆角 上摆角上摆角速率速率 下摆角下摆角速率速率 下摆角下摆角 13 直流伺服电机在忽略了感抗的影响以及启动死区电压后，直流伺服电机在忽略了感抗的影响以及启动死区电压后，可以

9、视为一个二阶的线性系统。可以视为一个二阶的线性系统。 即有即有图图10-5 电机模型电机模型14进行适当的整合，就可得到平衡位置附近处进行适当的整合，就可得到平衡位置附近处电机加双摆对象的数学模型：电机加双摆对象的数学模型： etaetaK Kmm grxMrJ RMrJxxK Kmm g mm rJmxgm lMrJ Rlml MrJxxmmmmggm lm l212122232121224221111 15612121313010000()0000()000100() ()000()()0000010000 taataxr KMrJ Rxxuxr KMrJ Rlxx1223421560()

10、0()00 151.系统的速度环设计系统的速度环设计执行电机的死区达到执行电机的死区达到1V，即有，即有 VUdead1为满足克服死区电压的指标要求，引为满足克服死区电压的指标要求，引入模拟放大环节，使入模拟放大环节，使D/A输出输出0.1V时电机启动，则从计算机输出点到控时电机启动，则从计算机输出点到控制电机输入点之间的放大倍数必须满制电机输入点之间的放大倍数必须满足足deadKU0(/0.1) 为了满足为了满足D/A输出满量程输出满量程5V时对应滑车最大速度时对应滑车最大速度0.4ms的要求，需要在控制系统结构中引入测速机输出进行速度反馈。的要求，需要在控制系统结构中引入测速机输出进行速度

11、反馈。采用稳态数值，有采用稳态数值，有 gwmVVUKK KK Krrmaxmaxmax12 图图10-6 双摆控制系统的模拟内环双摆控制系统的模拟内环16 考虑放大器箱的放大倍数，考虑放大器箱的放大倍数，D/A输出电压输出电压u满足：满足： 则描述系统的线性化状态方程（则描述系统的线性化状态方程（10-8）可以改写为）可以改写为 eegwKKK K K r2 令令aauuuKKK012() etaetaK KmmgrxMrJ RMrJxxK Kmmg mm rJmxgmlMrJ R lm l MrJxxmmmmggmlml212122232121224221111 1561212131301